ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI MINH TUÂN NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH CHIẾT PHÂN ĐOẠN VÀ XÁC ĐỊNH DẠNG CHÌ TRONG ĐẤT NÔNG NGHIỆP TỈNH PHÚ THỌ BẰNG PHƯƠNG PHÁP IC
Trang 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BÙI MINH TUÂN
NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH CHIẾT PHÂN ĐOẠN VÀ XÁC ĐỊNH DẠNG CHÌ TRONG ĐẤT NÔNG NGHIỆP TỈNH PHÚ THỌ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ICP_OES
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2015
Trang 2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
BÙI MINH TUÂN
NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH CHIẾT PHÂN ĐOẠN VÀ XÁC ĐỊNH DẠNG CHÌ TRONG ĐẤT NÔNG NGHIỆP TỈNH PHÚ THỌ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ICP_OES Chuyên nghành: Hóa phân tích
Mã số: 60440118
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Trường Giang
Hà Nội - 2015
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc của mình tới PGS.TS Lê Trường Giang – Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình, nghiên cứu và thực hiện luận văn
Tôi xin chân thành cảm ơn các cô chú, anh chị phòng Hoá phân tích - Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Thí nghiệm – Thực hành, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì , cùng các thầy cô giáo , bạn bè đồng nghiệp, đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này
Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2015
Tác giả
Bùi Minh Tuân
Trang 4MỤC LỤC
MỞ ĐẦU …1
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN …3
1.1.Một số quy trình phân tích va sự phân chia các kim loại 3
1.1.1 Một số quy trình phân tích dạng kim loại 3
1.1.2 Sự phân chia các dạng kim loại 11
1.2 Tổng quan về chì 12
1.2.1 Lịch sử phát triển về việc sử dụng kim loại chì của con người 12
1.2.2 Cấu tạo và tính chất 14
1.2.3 Các hợp chất quan trọng của chì 19
1.2.4 Vai trò của chì 20
1.2.5 Tình hình sản xuất và sử dụng chì hiện nay 22
1.2.5.1 Trên thế giới 22
1.2.5.2 Ở Việt Nam 23
1.3 Nhiễm độc chì – ảnh hưởng của nó đối với môi trường và sức khỏe … 23
1.3.1 Nhiễm độc chì và những ảnh hưởng đến môi trường 23
1.3.2 Nhiễm độc chì và những ảnh hưởng đối với con người 26
1.3.2.1 Nguồn tiếp xúc 26
1.3.2.2 Ảnh hưởng đối với cơ thể con người 28
1.4 Các phương pháp xác định chì 30
1.4.1 Phương pháp phân tích hóa học 30
1.4.1.1 Phương pháp phân tích khối lượng 30
1.4.1.2 Phương pháp phân tích thể tích 30
1.4.2 Phương pháp phân tích công cụ 31
1.4.2.1 Phương pháp điện hoá 31
1.4.2.2 Phương pháp quang phổ 32
1.4.2.3 Phương pháp ICP-OES 34
Trang 5CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM 45
2.1 Đối tượng nghiên cứu: 45
2.2 Nội dung nghiên cứu 49
2.3 Lấy mẫu và xử lý mẫu 49
2.3.1 Lấy mẫu 49
2.3.2 Xử lý mẫu 49
2.4 Trang thiết bị và hóa chất 49
2.4.1.Trang thiết bị 49
2.4.2 Hóa chất và dụng cụ 50
2.4.3 Chuẩn bị hóa chất và dung dịch chuẩn 50
2.5 Quy trình chiết dạng kim loại chì …51
2.6 Quy trình phân tích hàm lượng tổng kim loại 52
2.6.1.Quy trình chiết hàm lượng tổng kim loại bằng dung dịch cường thủy 52
2.6.2.Quy trình phân tích hàm lượng tổng kim loại bằng lò vi sóng 52
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ 53
3.1.Khảo sát các thông số đo trên máy ICP_OES 6000 53
3.1.1 Khảo sát công xuất RF: 53
3.1.2 Khảo sát lưu lượng khí nebulizer 54
3.2 Khảo sát cản nhiễu 55
3.3 Khảo sát tỷ lệ các axit 60
3.4 Khảo sát chương trình nhiệt cho microwave 63
3.5 Khảo sát giới hạn phát hiện của phương pháp 64
3.6 Xây dựng đường chuẩn sử dụng trong quá trình phân tích 65
3.7 Đánh giá độ chính xác của phương pháp 67
3.8 Kết quả phân tích hàm lượng các dạng chì có trong mẫu đất nông nghiệp trên địa bàn tỉnh Phú Thọ 68
KẾT LUẬN 81
Trang 6DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ chiết phân tích dạng kim loại nặng trong trầm tích của Tessier và
các cộng sự 9
Hình 1.2 Sơ đồ chiết phân tích dạng kim loại nặng trong trầm tích của Tessier sau khi đã cải tiến 10
Hình 1.3 Quặng Chì 12
Hình 1.4 Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học 14
Hình 1.5 Số electron trên vỏ điện tích của nguyên tử chì 15
Hình 1.6 Các quá trình hấp thu và phát xạ trong nguyên tử và ion 36
Hình 1.7 Quá trình hình thành ngọn plasma 37
Hình 1.8 Các quá trình diễn ra khi mẫu được đưa vào plasma 38
Hình 1.9 Cấu tạo torch dùng trong ICP-OES 39
Hình 1.10 Chế độ lấy tín hiệu của ICP-OES: a dọc trục (axial viewing) 41
Hình 3.1 Ảnh hưởng công suất RF đến tín hiệu nguyên tố Pb 53
Hình 3.2 Ảnh hưởng của lưu lượng khí nebulizer đến tín hiệu các nguyên tố 54
Hình 3.2 Hiệu suất chiết các kim loại khỏi nền mẫu đất đối với các acid khác nhau 62
Hình 3.3 So sánh hàm lượng các kim loại thu được với các chương trình nhiệt khác nhau 63 Hình 3.4 Đường chuẩn có khoảng nồng độ 0,05 mg/L đến 1,00 mg/L 66
Hình 3.5 Đường chuẩn có khoảng nồng độ 0,05 mg/L đến 0.5 mg/L 66
Hình 3.6 Đường chuẩn có khoảng nồng độ 0,004 mg/L đến 0.1 mg/L 67
Hình 3.7 Đường chuẩn có khoảng nồng độ 0,005mg/L đến 1.0 mg/L 67
Hình 3.8.Biểu đồ phân chia tỷ lệ phần trăm các dạng Pb khu vực Lâm Thao 70
Hình 3.9 Biểu đồ phân chia tỷ lệ phần trăm các dạng Pb khu vực Phù Ninh 72
Hình 3.10 Biểu đồ phân chia tỷ lệ phần trăm các dạng Pb khu vực TP.Việt Trì 78
Hình 3.11 Biểu đồ phân chia tỷ lệ phần trăm các dạng Pb khu vực TX Phú Thọ 78
Hình 3.12.Biểu đồ phân chia tỷ lệ phần trăm các dạng Pb khu vực Huyện Cẩm Khê 78 Hình 3.13.Biểu đồ phân chia tỷ lệ phần trăm các dạng Pb khu vực Huyện Thanh Ba 79
Hình 3.14.Biểu đồ phân chia tỷ lệ phần trăm các dạng Pb khu vực Huyện Hạ Hòa 79
Trang 7DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Quy trình chiết liên tục của A Tessier 4
Bảng 1 2 Quy trình chiết liên tục của BCR 5
Bảng 1.3 Quy trình chiết ngắn của Maiz (2000) 6
Bảng 1.4 Quy trình chiết của Galan 6
Bảng 1.5 Quy trình phân tích dạng kim loại của Kersten và Forstner 7
Bảng 1.6 Quy trình phân tích dạng kim loại của Davidson 7
Bảng 1.7 Quy trình phân tích dạng kim loại của Han và Banin 8
Bảng 1.8 Đồng vị ổn định nhất của Chì 15
Bảng 1.9 Hằng số cân bằng của các dung dịch phức chì clorua ở 25 0 C 19
Bảng 1.10 Hàm lượng Pb trong đất bị ô nhiễm ở một số nước 24
Bảng 2.1 Mô tả vị trí lấy mẫu đất trên địa bàn Huyện Lâm - Phú Thọ 45
Bảng 2.2 Mô tả vị trí lấy mẫu đất trên địa bàn Huyện Phù Ninh - Phú Thọ 46
Bảng 2.3 Mô tả vị trí lấy mẫu đất trên địa bàn TP Việt Trì - Phú Thọ 47
Bảng 2.4 Mô tả vị trí lấy mẫu đất trên địa bàn Thị xã Phú Thọ - Phú Thọ 47
Bảng 2.5 Mô tả vị trí lấy mẫu đất trên địa bàn Huyện Cẩm Khê - Phú Thọ 47
Bảng 2.6 Mô tả vị trí lấy mẫu đất trên địa bàn Thanh Ba - Phú Thọ 48
Bảng 2.7 Mô tả vị trí lấy mẫu đất trên địa bàn Hạ Hòa - Phú Thọ 48
Bảng 3.1 Bảng tóm tắt cản nhiễu quang phổ 55
Bảng 3.2 Khảo sát cản nhiễu vật lý 57
Bảng 3.3 Khảo sát loại trừ cản nhiễu vật lý với nội chuẩn Sc 360.073 58
Bảng 3.4 Khảo sát loại trừ cản nhiễu vật lý với nội chuẩn Y 371.029 58
Bảng 3.5 Cản nhiễu đối với Pb 59
Hình 3.1 So sánh hàm lượng các kim loại trong mẫu đất thu được đối với các loại acid khác nhau 61
Bảng 3.6 Chương trình nhiệt cho lò vi sóng 63
Bảng 3.7 Các thông số tối ưu của máy đo 64
Bảng 3.8 Kết quả phân tích mẫu Pb 2+ 0,0025 mg/l 65
Bảng 3.9 Kết quả phân tích mẫu chuẩn theo quy trình nghiên cứu 68
Trang 8Bảng 3.10 Kết quả mẫu khu vực huyện Lâm Thao- Phú Thọ (mg/kg) 69
Bảng 3.11 Kết quả mẫu khu vực huyện Phù Ninh- Phú Thọ (mg/kg) 71
Bảng 3.12 Kết quả mẫu khu vực TP Việt Trì - Phú Thọ (mg/kg) 73
Bảng 1.1 Kết quả mẫu khu vực TX Phú Thọ - Phú Thọ (mg/kg) 74
Bảng 3.13 Kết quả mẫu khu vực huyện Cẩm Khê - Phú Thọ (mg/kg) 75
Bảng 3.14 Kết quả mẫu khu vực huyện Thanh Ba - Phú Thọ (mg/kg) 76
Bảng 3.15 Kết quả mẫu khu vực huyện Hạ Hòa - Phú Thọ (mg/kg) 77
Trang 91
MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp phát triển đem lại cuộc sống tiện nghi hơn, song cũng khiến con người phải đối mặt với nhiều tác nhân gây bệnh mới do tình trạng ô nhiễm môi trường, đáng ngại nhất hiện nay là nhiễm độc kim loại và các hóa chất Ngộ độc kim loại nặng là một vấn đề không còn mới, xong đây luôn là một vấn đề nhức nhối của thời đại
Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng nguyên tử lớn, khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 như vàng, platin (bạch kim), chì, thủy ngân, thường không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của các thể sinh vật và thường tích lũy trong cơ thể chúng Nhìn chung kim loại nặng là các chất vi lượng rất cần thiết cho sự phát triển của cơ thể như Đồng (Cu), Sắt (Fe), Selen (Se) , tuy nhiên với sự hiện diện hàm lượng quá lớn kim loại nặng thì nó sẽ gây độc tính nghiêm trọng con người và môi trường như Chì (Pb), Thủy ngân (Hg),
Trong những chất thải độc hại thì Chì, Thủy ngân, Asen và Cadimi đứng vị trí thứ nhất, nhì, ba và sáu theo xếp loại dược tính của Hoa Kì Những kim loại này gây độc trong tất cả các trạng thái tồn tại của chúng Tuy nhiên với tốc độ phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa và nhu cầu ngày càng phong phú , đa dạng của con người thì các loại kim loại này vẫn được sử dụng để tạo ra các sản phẩm đáp ứng cho nhu cầu sử dụng trước mắt của mình Chì là một trong những mối nguy hại hàng đầu
Chì được loài người biết đến từ lâu Chì và các hợp chất của chì được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y học, quân sự, năng lượng nguyên
tử, kĩ thuật hạt nhân… Như vậy, chì đóng vai trò rất quan trọng và không thể thiếu trong nền kinh tế quốc dân và đời sống của con người Tuy nhiên, song song với những lợi ích mà chì mang lại thì nó luôn là một mối đe dọa môi trường nghiêm trọng nhất đến sức khỏe con người, đặc biệt ở các đô thị lớn Và ảnh hưởng đáng lo ngại nhất là sự tác động của chì đến sự phát triển trí tuệ và sự phát triển của thế hệ trẻ – tương lai của xã hội
Trang 102
Chì và các hợp chất của nó là loại độc chất đa tác dụng, tác động lên toàn bộ các cơ quan và hệ cơ quan, những tổn thương đặc biệt nặng xuất hiện trong hệ thống tạo máu, hệ tim mạch, hệ thần kinh và hệ tiêu hóa Đối với trẻ em, ngay cả với hàm lượng chì nhỏ cũng đã ảnh hưởng đến sức khỏe, dẫn đến những rối loạn phát triển trí tuệ và thể lực, các rối loạn thần kinh tâm lý, giảm tổng hợp heme và thiếu máu, giảm vitamin D trong máu và tăng ngưỡng tiếp nhận âm thanh
Hiện nay, nhiễm độc chì đến môi trường là một vấn đề đáng lo ngại Việc sử dụng xăng pha chì đã thải ra một lượng khí độc hại có chứa hơi chì, gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người Ngoài ra, tại các nhà máy mạ điện, nhà máy
cơ khí, nhà máy sản xuát pin, ắc quy, gốm sứ cũng thải ra một lượng lớn nước thải
có nhiễm chì, nước thải này thải thẳng ra các kênh rạch, đồng ruộng…gây ô nhiễm nguồn nước, tích lũy trong đất, thực vật ở khu vực xung quanh và đặc biệt là ảnh hưởng đến sức khỏe con người ở khu vực đó
Không chỉ dừng lại ở đó, chì còn len lỏi và có mặt khắp mọi nơi quanh chúng ta, trong chính ngôi nhà và những vật dụng, thức ăn, mỹ phẩm mà chúng ta
sử dụng hằng ngày đều tích tụ một lượng chì nhất định mà chúng ta không hề biết Chính những thói quen, nhận thức, hiểu biết còn yếu kém về chì là nguyên nhân khiến chì trở thành một kẻ thù thầm lặng nguy hiểm khôn lường
Vì vậy việc tìm hiểu về nguồn gốc, các dạng tồn tại của chì, độc tính, cơ chế lan truyền, gây độc của chì và những ảnh hưởng của chì đối với sức khỏe con người
và môi trường là vấn đề cấp thiết Đề tài này sẽ giúp các bạn hiểu rõ về các vấn đề này đồng thời đưa ra các biện pháp phòng ngừa ô nhiễm chì và các nguy cơ nhiễm độc từ chì một cách hiệu quả
Trang 113
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1.Một số quy trình phân tích va sự phân chia các kim loại
1.1.1 Một số quy trình phân tích dạng kim loại
Như đã nói ở trên, phân tích các dạng kim loại nặng có thể cung cấp nhiều thông tin hữu ích liên quan đến tính chất hóa học hoặc khả năng linh động và đáp ứng sinh học của một nguyên tố cụ thể, do đó có thể đưa ra một ước tính thực tế hơn về tác động của kim loại đến môi trường đồng thời từ quá trình nghiên cứu phân tích kiểm tra hàm lượng kim loại ở từng dạng chúng ta có thể hạn chế sự tích lũy dưới các dạng tồn tại của nó
Trong đất và trầm tích có chứa nhiều thành phần, nguyên tố có hại, trong số
đó có các kim loại nặng Tổng hàm lượng kim loại trong đất và trầm tích có ích với những ứng dụng về địa hóa học Tuy nhiên các dạng tồn tại của kim loại, đặc biệt là các dạng có khả năng tích lũy sinh học được quan tâm nhiều hơn Thuật ngữ “dạng” được định nghĩa bởi Fillip M Tack và Marc G Verloo là: sự nhận dạng và định lượng các dạng, các hình thức hay các pha khác nhau mà trong đó kim loại tồn tại Định lượng các yếu tố ô nhiễm trong đất, trầm tích là việc sử dụng các dung dịch hóa học khác nhau, nhưng đặc trưng và dễ phản ứng để giải phóng kim loại từ các dạng khác nhau của mẫu đất và trầm tích Nếu các kim loại tồn tại trong các dạng linh động và có khả năng tích lũy sinh học được giải phóng từ đất và trầm tích sẽ làm tăng hàm lượng các kim loại có độc tính trong nước, dẫn đến nguy cơ gia tăng
sự hấp thu các kim loại này đối với thực vật, động vật và con người (Amanda Jo Zimmerman, 2010 và Fillip M Tack, 1995
Việc xác định các dạng kim loại trong đất và trầm tích được thực hiện theo các phương pháp: chiết một giai đoạn (single extraction)), chiết lên tục (sequential extraction procedure, SEP) và sử dụng nhựa trao đổi ion Nhiều quy trình chiết liên tục đã được ứng dụng để phân tích dạng kim loại trong nhiều loại mẫu đất, trầm tích
và đã cung cấp những thông tin hữu ích về nguồn gốc, cách thức tồn tại, khả năng tích lũy sinh học và địa hóa, tiềm năng di động, và sự chuyển hóa của kim loại trong
Trang 124
trầm tích Do đó, các quy trình này là một công cụ hữu dụng trong phân tích và đánh giá sự ô nhiễm (Amanda Jo Zimmerman, 2010 )
Quy trình chiết các dạng liên kết của kim loại trong trầm tích của A Tessier và các cộng sự (hình 1.1) được coi là cơ sở của các quy trình sau này Quy trình này đã chia kim loại trong trầm tích thành năm dạng chính: Dạng trao đổi (F1), dạng liên kết với cacbonat (F2), dạng liên kết trong cấu trúc oxit sắt- mangan (F3), dạng liên kết với các hợp chất hữu cơ (F4), và dạng bền nằm trong cấu trúc tinh thể của trầm tích (gọi là dạng cặn dư) (F5)
Bảng 1.1 Quy trình chiết liên tục của A Tessier
Dạng trao đổi(F1) 8ml MgCl2 1M (pH= 7), khuấy lien tục trong 1h hoặc
8ml NaCHCOO 1M (pH=8,2), khuấy liên tục trong 1h Liên kết với cacbonat
(F2) 8ml NaCHCOO 1M pH = 5, khuấy liên tục trong 5h
Liên kết với Fe – Mn oxit (F3)
20ml Na2S2O40,3M + Na-Citrate 0,175M + H – Citrate 0,025M hoặc
20ml NH2OH.HCl 0,04M trong CH3COOH 25% 960C khuất trong 6h
Liên kết với hữu cơ
(F4)
1 3ml HNO3 0,02M +5ml H2O2 30% (pH = 2),850C khuấy 2h
2 Thêm 3ml 5ml H2O2 30% (pH = 2), 850C khuấy 3h
3 Sau khi làm nguội, thêm 5ml NH4OAC 3,2M trong HNO3 20% và pha loãng thành 20ml, khuấy liên tục 30 phút
Cặn dư (F5)
1 2ml HClO4 + 10ml HF đun đến gần cạn
2 Hòa tan bằng HCl 12N, sau đó định mức thanh
25ml
Bên cạnh quy trình của Tessier có một số quy trình tiêu biểu khác là quy trình của Ủy ban tham chiếu cộng đồng (Community Bureau of Reference procedure, BCR) , quy trình chiết ngắn của Maiz, quy trình của Galan, quy trình của Hiệp hội địa chất Canada